Te drukowane w 3D Milliroboty potrafią wykrywać i reagować na swoje otoczenie

Millirobot wyglądał jak uroczy pojazd z kreskówek, umiejętnie poruszając się po skomplikowanym labiryncie. To dziwne stworzenie: dno przypomina zawalony płot; na górze kosz w kształcie durszlaka. Jest wielkości pensa, wydaje się kruchy i zupełnie skromny.

Jednak u jego podstaw leży potencjalna zmiana paradygmatu budowy autonomicznych robotów, które potrafią wykrywać lokalne środowisko i reagować na nie. W przeciwieństwie do klasycznych robotów, które składają się z wielu elementów, millirobot jest Wydrukowano 3D z mleczno wyglądającym metamateriałem, który może elastycznie zmieniać swoje właściwości za pomocą kilku zaklęć elektrycznych.

Metamateriały brzmią jak z komiksu, ale koncepcja jest prosta. W przeciwieństwie do drewna, szkła lub innych materiałów statycznych, na których łatwo polegamy, aby utrzymać swoją strukturę, metamateriały użyte w badaniu — materiały piezoelektryczne — łatwo zmieniają swoją strukturę po wystrzeleniu za pomocą pola elektromagnetycznego. Pozwala to na skręcanie się, wykrzywianie, kurczenie się lub rozszerzanie materiału. Zaplanuj każdy ruch i możesz zbudować i sterować robotem.

Aby zbudować bota, zespół zaprojektowany zestaw do drukowania 3D do drukowania struktur robotycznych przy użyciu materiałów piezoelektrycznych. Jako dodatkowy dodatek, zespół dał botom poświatę ultradźwiękową, osadzając komponenty w materiale, co pomogło robotom zamienić wibracje w elektryczność, aby wyczuć otoczenie.

Miliboty nauczyły się autonomicznie chodzić, skakać i uciekać przed potencjalnymi przeszkodami w czasie rzeczywistym. Mogli nawet wybrać się na mini-wycieczkę po plaży w laboratorium, z łatwością poruszając się po nierównym, piaszczystym terenie częściowo porośniętym zielenią.

Boty, choć wciąż szczątkowe, mogą pewnego dnia pomóc w dostarczaniu leków do zamkniętych przestrzeni w naszych ciałach, jeśli zostaną zmniejszone. Mogą również działać jako tani, mali, ale potężni zwiadowcy do odkrywania nowych lub niebezpiecznych środowisk.

Do dr. Ahmada Rafsanjaniego z Center for Soft Robotics, University of Southern Denmark, kto nie był zaangażowany? W badaniu miliboty wprowadzają metamateriały na światło dzienne jako nowy sposób konstruowania autonomicznych robotów. Badanie „podkreśla szersze spojrzenie na „materiały robotyczne”, w którym granica między materiałami a maszynami staje się niezauważalna” – napisał w komentarzu. „Addytywne wytwarzanie metamateriałów piezoelektrycznych może prowadzić do materializacji w pełni zintegrowanych robotów, które w końcu mogą wyjść prosto z drukarki 3D”.

Meta-Co?

Metamateriały są dziwne. Ale dzięki ich egzotycznym właściwościom naukowcy z łatwością zbadali potencjalne zastosowania tych dziwnych kaczek. Klasycznym jest optyka. Metamateriały są często wykonane z komponentów, które elastycznie oddziałują z falami elektromagnetycznymi, w tym ze światłem. W pewnym sensie są one podobne do obiektywów kamer lub luster, ale mają supermoc, która pozwala szybko zmienić sposób kierowania każdą falą światła. Teoretycznie starannie stworzona struktura z metamateriałów mogłaby przebudować wszystkie rodzaje okularów — od soczewek mikroskopowych po te na naszych twarzach.

Niedawno naukowcy zaczęli badać inne zastosowania. Jednym z głównych wysiłków jest włączenie materiałów piezoelektrycznych do chipów neuromorficznych, które z grubsza symulują sposób, w jaki mózg przetwarza i przechowuje informacje. Zmieniając właściwości tych materiałów za pomocą pól elektrycznych, naukowcy mogą przybliżyć działanie synaps przy ultraniskiej energii. Inne badania wykorzystał akrobatyczną zdolność metamateriałów do zmieniania ich kształtu, tworząc struktury, które przekształcają ruch liniowy — powiedzmy, chód kraba — w obroty i przekładnie mechaniczne. To tak, jakby twoje nogi nagle zamieniły się w obracające się koła.

Tak, metamateriały są dziwne. Jak oni pracują?

Warto je sobie wyobrazić jako staromodne telewizory pudełkowe z antenami. Aby dostosować kanał — to znaczy zachowanie materiału — poruszaj antenami, aż ich struktura silnie oddziałuje z falami radiowymi iá, sprawdziłeś stan materiału. Można go następnie mieszać z konwencjonalnymi materiałami w celu budowy skomplikowanych struktur przypominających kratownicę, zachowując jednocześnie ich właściwości metamorfozowe. Ta elastyczność sprawia, że ​​są one szczególnie intrygującym kanwą do projektowania robotów. Ponieważ są prawie pojedynczą strukturą, na dłuższą metę mogą pomóc w budowaniu inteligentnych protetyka mniej podatne na awarie, ponieważ nie mają ruchomych części mechanicznych. Zamiast lutowania, można je teraz drukować w 3D. (To daje mi wszystkie Westworld wibracje – mechaniczne Dolores kontra mleczno-płynna wersja drukowana, ktoś?).

Stranger Things

Nowe miliboty wyglądają jak hybryda między Wall-E i TARS, prążkowany, składany robot przypominający pałeczki Międzygwiezdny. W pełni wydrukowane w 3D zniszczyły konwencjonalny dogmat budowania robotów. Normalnie robot potrzebuje kilku niezależnych komponentów: czujników do poruszania się po środowisku, mikroprocesorów do „mózgu”, siłowników do ruchu oraz zasilacza do napędzania całego systemu. Każde łącze jest podatne na awarię.

Tutaj zespół zintegrował każdy komponent w jeden projekt. Pierwszym kluczowym składnikiem są materiały piezoelektryczne, które przekształcają pola elektryczne w napięcie mechaniczne i odwrotnie. To „mięśnie”, które kierują ruchem robota. Ale robią potrójny obowiązek. W zależności od stanu metamateriału, może tworzyć szkielet przypominający ceramikę, który pomaga milibotowi zachować swój kształt. W fazie przewodzenia działa jak komórki nerwowe, przechwytując sygnały elektromagnetyczne, aby kontrolować „mięśnie”. Dalsze zwiększanie sprawności bota to element ultradźwiękowy, wtopiony w robota, który pomaga mu wyczuwać otoczenie.

Ogólnie rzecz biorąc, prosty milibot ma wiele systemów zmieszanych w jedną rażącą białą maź: układ nerwowy zdolny do wykrywania i uruchamiania, komponent „mięśniowy” i strukturę szkieletową. Wrzucając masę do drukarki 3D, zespół zbudował wyrafinowane siatki stanowiące szkielet robota, z których każda została starannie ozdobiona metalami przewodzącymi i właściwościami piezoelektrycznymi w określonych regionach.

Wynik? Mały robot, który wykorzystuje pola elektryczne, aby wyczuwać i nawigować w swoim otoczeniu. Jeszcze bardziej imponująca jest jego zdolność do „zrozumienia” własnych ruchów ciała i umiejscowienia w przestrzeni – sztuczka zwana propriocepcją to było dubbingowane „szósty zmysł” ludzkiej percepcji i rzadko stosowany w robotach.

Po kilku wyzwaniach autorzy zaprezentowali następnie sprawność botów. Jeden robot fachowo omijał przeszkody w czasie rzeczywistym, podczas gdy człowiek sekwencyjnie opuszczał bariery na podstawie informacji zwrotnych z ultradźwięków. W innym teście robot pokonywał duże odległości i fachowo pokonywał ostre zakręty. Z zaledwie milisekundowym opóźnieniem robot-żaba przeskakiwał kilka nierównych powierzchni bez potu — zadanie motoryczne, które wcześniej oszołomiło inne roboty.

Milliboty zrobiły też świetne juczne muły. Nawet przy 500-procentowej masie ładunku — na przykład wbudowanego źródła zasilania, sterownika i mikrokontrolera — były w stanie poruszać się z łatwością przy zaledwie 20-procentowym spadku prędkości. W praktyce supermocarstwo czyni te roboty świetnymi rusztowaniami jako maszyny do dostarczania leków, które pewnego dnia mogą wędrować po naszym krwiobiegu.

Droga do zrobienia

Pojedynczy kawałek materiału piezoelektrycznego może być niezwykle elastyczny, z sześcioma stopniami swobody — możliwością rozciągania się liniowo w trzech osiach (np. zginanie ramienia do przodu, na boki i do tyłu) oraz skręcania obrotowego. Dzięki produkcji addytywnej w ramach badania łatwo jest projektować różne architektury robotyczne, kierując się kreatywnymi algorytmami.

Zespół „zręcznie przeplatał aktywację i percepcję w lekkiej miniaturze

kompozytowa krata 3D, która porusza się i wyczuwa otoczenie” – powiedział Rafsanjani.

Roboty mogą wydawać się niestosowną zagadką: elastyczną istotą wykonaną z twardego ceramicznego szkieletu z jednym metamateriałem. Ale my też jesteśmy ludźmi — jesteśmy zbudowani z komórek o bardzo różnych kształtach, rozmiarach i możliwościach. Adaptacja pomysłów wykorzystanych do projektowania robotów piezoelektrycznych daje miękkiej robotyce nowe spojrzenie, potencjalnie prowadząc do całkowicie sztucznych materiałów, które współgrają z naszymi ciałami.

Badanie „przybliża metamateriały robotów do systemów biologicznych, jedna funkcja na raz”, powiedział Rafsanjani.

Źródło zdjęcia: Rayne Research Group

• Coinsmart. Najlepsza w Europie giełda bitcoinów i kryptowalut.
• Platoblockchain. Web3 Inteligencja Metaverse. Wzmocniona wiedza. DARMOWY DOSTĘP.
• CryptoJastrząb. Radar Altcoin. Bezpłatna wersja próbna.
• Źródło: https://singularityhub.com/2022/06/21/these-3d-printed-millirobots-can-sense-and-react-to-their-surroundings/